简介
岩石通过机械方法或人工方法进行加工，或不经加工而获得的各种块状或散粒状材料，统称为天然石材。
天然石材是人类使用的最古老的建筑材料之一，世界上许多著名的石材建筑物，如古埃及金字塔，古罗马的大角斗兽场，意大利的比萨斜塔，还有我国的赵州桥、万里长城等。天然石材在水利水电、土木、道路、桥梁等工程中具有广泛的应用。
特点
天然石材的特点主要是：抗压强度高、耐久性良好、耐磨、美观，分布广泛便于就地取材。天然石材其缺点主要是：脆性较大，自身质量大，开采加工比较困难，其结构抗震性能较差。
分类
岩石由于形成的地质条件不同，分为岩浆岩、沉积岩、变质岩三大类。它们分别具有不同的矿物成分、不同的结构及构造特征，其建筑性能和使用范围，主要就是由于这些特征所决定的。
岩浆岩石材
岩浆岩是由于地壳深处熔融岩浆上升，在地下或喷出地面后冷凝而成的。根据形成条件不同，岩浆岩可分为以下三类：
（1）深成岩。深成岩是岩浆在地壳深处，在上部覆盖层较大压力作用下，缓慢且比较均匀地冷却而形成的岩石。其特点是矿物结晶完整且颗粒较粗，呈块状构造，具有较高的抗压强度，吸水率和孔隙率小，抗冻性好及表观密度大等优点。工程中常见的深成岩有花岗岩、闪石岩、正长岩和橄榄岩等。
（2）喷出岩。喷出岩是岩浆喷出地表后，在压力急剧降低和迅速冷却的条件下所形成的岩石。其特点是岩浆不能全部结晶，或结晶成细小颗粒，所以常呈非结晶的玻璃质结构、细小结晶的隐晶质结构及个别较大晶体嵌在上述结构中的斑状结构。当喷出岩形成很厚的岩层时，其结构、构造和性能接近深成岩；当形成较薄的岩层时，由于气压及冷却速度快的作用呈现多孔状构造，性能低于深成岩。工程中常见的喷出岩有玄武岩、辉绿岩、安山岩等。
（3）火山岩。火山岩是火山爆发时，喷到空气中的岩浆，经急速冷却后而形成的。常见的火山岩有火山灰、火山砂、浮石及火山凝灰岩等。火山岩呈非结晶的玻璃质结构，内部含大量气孔，具有化学活性，磨细加工后可作水泥的混合材料及混凝土骨料。
工程上常见的岩浆岩有以下几种。
1.花岗岩
花岗岩是岩浆岩中分布最广的一种岩石，呈等粒结晶质结构，十分致密。由于有立方体节理的存在，故可开采成整齐大块的石材。
花岗岩主要由石英、长石和少量云母所组成，有时还含有少量的暗色矿物质如角闪石、辉石等。优质的花岗岩其石英含量较多，而云母含量较少，且不含黄铁矿（FeS2）等杂质。黄铁矿与水作用，易氧化成硫酸等，能腐蚀周围矿物，加速岩石的分化。
花岗岩按结晶颗粒大小不同，可分为细粒、粗粒、斑状等不同种类。结晶颗粒细而均匀的花岗岩比粗粒、斑状的花岗岩强度高耐久性也好。
新鲜密实的花岗岩的表观密度为2600～2700kg/m3，抗压强度为120～250MPa，吸水率一般小于1%，有相当好的耐久性和良好的耐磨性。所以是十分优良的建筑石材，广泛应用于各种建筑物中，如修筑桥梁、大型建筑物的基础、闸、坝、防坡堤和码头等。
当花岗岩中所含的长石已开始风化时，花岗岩的强度和耐久性将逐渐降低。因此建造水工建筑物时，应注意选用新鲜的花岗岩。
2.闪长岩
闪长岩是由斜长石、角闪石及少量黑云母与辉石等矿物成分所组成。具有均匀颗粒的结晶结构。它的表观密度为2800～3000kg/m3，抗压强度为150～280MPa，吸水性低，韧性大，耐久性胜过花岗岩。
3.辉长岩
辉长岩主要由斜长石、辉石及少量橄榄石所组成，为等粒结晶质结构和块状。表观密度为2900～3300kg/m3，抗压强度为300～400MPa。具有很高的韧性及抗风化性，是良好的水工建筑材料。
4.辉绿石
辉绿石主要由长石、辉石或橄榄石等矿物成分所组成，为全晶质中粒或细粒结构，呈块状结构。它的表观密度较大，抗压强度达300～400MPa，韧性高，不易磨耗。
5.玄武岩
玄武岩主要是由斜长石、辉石及橄榄石所组成。它的结构大多是玻璃质或隐晶质的。它的构造多为气孔状，也有块状及杏仁状的。致密的玄武岩，其表观密度可达2900～3300kg/m3，抗压强度由于构造不同而波动较大，约为100～500MPa。玄武岩的强度和耐久性都很好，但因硬度高，脆性大，加工困难，主要用作筑路材料、堤岸的护坡等。
沉积岩石材
位于地表面的岩石，经物理、化学和生物等一系列复杂的风化作用下，逐渐被破坏成不同的碎小颗粒和一些溶解物质，这些风化产物经沉积而成的岩石，称为沉积岩。沉积岩的形成是一个缓慢的过程，决定了其特征为层状构造，外观多层里，孔隙率和吸水率较大，表观密度较小，强度较低和耐久性差。常见的沉积岩有石灰岩、砂岩、页岩、石膏、硅藻土、硅藻石及蛋白石等。构成硅藻土、硅藻石及蛋白石的化学成分是非结晶的二氧化碳，具有化学活性，磨细后可做水泥的混合材料。
工程上常用的沉积岩如下。
1.石灰岩
石灰岩简称灰岩，其矿物成分主要是方解石，化学成分主要为碳酸钙（CaCO3），此外尚有氧化硅、白云石及黏土矿物等。石灰岩的结构与构造具有多样性，各种致密的石灰岩，在强度、耐久性等方面均不如花岗岩，表观密度一般在2000～2600kg/m3之间，抗压强度相应地在20～120MPa之间。由于石灰岩分布广，硬度小，易劈裂，开采加工容易，具有一定的强度和耐久性，所以广泛应用于土木工程及一般水利工程中。
硅质石灰岩就是石灰岩中含有较多的氧化硅，强度较高。如含黏土杂质超过3%～4%时，则石灰岩的强度及耐久性将显著降低。石灰岩不能用于含游离CO2较多或酸性较高的水中，因为方解石会被侵蚀，使建筑物破坏。
2.砂岩
砂岩是源区岩石经风化、剥蚀、搬运到盆地中，由石英砂天然胶结物胶结形成的岩石，有时在其中也有长石、云母和其他矿物颗粒。
根据胶结物的不同，砂岩有与其胶结物相对应的名称，如以氧化硅胶结的称硅质砂岩，以碳酸钙胶结的称灰质砂岩，以氧化铁胶结的称铁质砂岩，以黏土胶结的称黏土质砂岩等。
砂岩的性能与胶结物的种类以及胶结的密实程度有关。致密的硅质砂岩坚硬耐久，强度高，性能接近花岗岩，表观密度达2700kg/m3，抗压强度可达250MPa，但较难加工；灰质砂岩加工较易，其强度可达60～80MPa以上，是砂岩中最常用的一种。铁质砂岩次于灰质砂岩，但仍能用于比较次要的工程。黏土质砂岩遇水即行软化，强度显著降低，不能用于水工建筑物。
3.页岩
页岩，顾名思义，是因其具有薄页状或薄片状的节理而得名，主要是由黏土沉积后经压力和温度形成的岩石，其中混杂有长石、石英的碎屑及其他化学物质。工程中用页岩作为烧结砖的原料，或是利用页岩陶粒作为轻集骨架料制备墙体材料。
变质岩石材
变质岩是岩浆岩或沉积岩在地壳变动、岩浆活动或地壳内热流变化等内营力作用下，使其矿物成分、结构构造发生不同程度的变化而形成的岩石。常见的变质岩有片麻岩、大理岩、石英岩及板岩等。
一般由沉积岩形成的变质岩，常较原来的岩石更为紧密，其建筑性能有所提高。由岩浆岩形成的变质岩，往往因为产生了片状构造，其性能较原来的岩石有所降低。
工程常用的变质岩如下。
1.花岗片麻岩
花岗片麻岩由花岗岩变质而成，矿物成分与花岗岩类似，结晶大多是等粒或斑状的呈片麻状构造及条带状构造，主要由石英、云母、长石等组成。其抗压强度（垂直于节理面）为250～400MPa，沿片理较易开采加工，但在冻融循环作用下易成层剥落，易风化，常呈灰白、深灰、灰绿色。优质的花岗片麻岩在用途上与花岗岩基本相同。
2.大理岩
大理岩又称大理石，由石灰岩或白云岩在高温高压下，重新结晶变质而成，主要矿物成分仍是方解石和白云石。经变质后，结晶颗粒直接结合，构造致密，其抗压强度为100～310MPa。大理岩硬度不大，易于加工及磨光，其构造多为块状，部分大理岩还带有特殊图案，如条纹、条带、斑点、斑块等构造。当含杂质时还带有美丽的色彩，如白、灰、黄、绿、浅红等颜色，因此常锯成薄板，用做建筑物内部装饰材料。但是大理岩对二氧化碳和酸的耐久性较差，经常接触就会风化，逐渐失去其美丽的光彩。
3.石英岩
石英岩由砂岩变质而来。经变质后，原来砂岩中的石英颗粒和天然胶结物都重新结晶，因此，石英岩均匀致密，抗压强度较高，为250～400MPa，耐久性很高，但硬度大，故开采加工很困难，一般呈现白、浅灰及淡红色。常以不规则的形状及大块作为地基及边坡处理等的骨料应用于岩土工程中。
技术性质
用于砌石或堆石工程的天然石材，其性质主要取决于他们的矿物组成、结晶程度、结构与构造特征，还受一系列外界条件的影响，如风化、日晒、浸水、冻融、负重作用及开采加工所造成的缺陷等。物理性质主要包括表观密度、抗冻性、软化系数、吸水性和抗风化性。力学性质主要指抗压强度。在某些情况下还应考虑溶解度、抗剪强度、摩擦系数、磨损与磨耗以及撞击韧性等。
物理性质
（1）表观密度。石材的表观密度主要取决于其矿物成分、结构特征及孔隙率。一般表观密度大的石材，都比较密实，故其强度较高，吸水率较小，抗冻性也较好。因此，可以把表观密度的大小作为石材质量的粗略估价。
一般致密性较好的石材其表观密度接近于真实密度，在2500～3100kg/m3之间；孔隙率较大的石材，其表观密度仅为500～1700kg/m3。表观密度大于1800kg/m3的石材称为重质石材，通常作为承重材料、耐磨擦材料及装饰材料，如大理石、花岗岩等。表观密度小于1800kg/m3的石材称为轻质石材，可作为轻质保温材料，如浮石。
（2）抗冻性。天然石材的抗冻性也取决于其矿物成分、结构及其构造。当石材中含有较多的黑云母、黄铁矿、黏土等物质时，易于风化，抗冻性较差。具有等粒结晶结构的石材，其抗冻性比玻璃质或斑状结构的石材较好。
疏松多孔或具有层理构造的石材，其孔隙率、吸水率较大，抗冻性远较均匀致密的石材为差。
按石材在水饱和状态下所能经受的冻融循环次数，其抗冻等级可分为5、10、15、25、50、100及200七个等级。一般认为吸水率小于0.5%的石材，冰冻破坏的可能性很小，可以考虑不做抗冻性实验。
（3）软化系数。软化系数是评价石材耐水性的重要指标，依据其大小，将石材的耐水性分为高、中、低三个等级。软化系数介于0.60～0.75之间的石材称为低耐水性；软化系数介于0.75～0.90之间的石材称为中耐水性；软化系数大于0.90的石材称为高耐水性；当岩石中含有较多的黏土或易溶于水的物质时，岩石在遇水后，或软化，或导致其强度下降。因此，用于水工建筑物中的石材，应考虑石材的软化系数。一般在水利水电工程中经常与水接触的建筑物，石材的软化系数不应小于0.75。
（4）吸水性。天然石材的吸水性，即吸水能力，主要取决于矿物组成、孔隙结构特征和孔隙率。主要以吸水率来衡量：吸水率小于1.5%时，称为低吸水性岩石；吸水率介于1.5%～3.0%时，称为中吸水性岩石；吸水率大于3.0%时，称为高吸水性岩石。不同的岩石其吸水性差异很大，致密的石材如石灰岩其吸水率低于1%，花岗岩其吸水率不足0.5%；而多孔的贝壳石灰岩其吸水率高于15%，浮石其吸水率高达30%以上。石材吸水后降低了颗粒之间的黏结力，故其强度有所下降，耐水性及抗冻性变差，导热性变大。
（5）抗风化性。地壳表层的岩石在日晒、风、气温变化、水冰和空气等作用下及生物活动等因素的影响下，导致岩石矿物成分、化学成分以及结构构造特征发生变化，使岩石逐渐发生剥落、开裂及破坏的过程称为岩石的风化。
力学性质
岩石的力学性能主要考虑其抗压强度，取决于岩石的矿物组成、结晶程度、孔隙结构特征和风化程度等。依据《砌体结构设计规范》（GB 50003—2011）规定：砌筑石材的强度等级以三块70mm×70mm×70mm立方体试件，在干燥状态下，用标准方法所测得的极限抗压强度平均值（MPa）来表示，根据抗压强度值的大小，将天然石材划分为7个强度等级：MU100、MU80、MU60、MU50、MU40、MU30及MU20。
在水利水电工程中，试验时也可采用非标准尺寸的立方体或圆柱体试件，可按50mm×50mm×50mm柱体或φ50mm×100mm圆柱体试件，在浸水饱和状态下测得的极限抗压强度，可划分为100、80、70、80、50、30等6个等级，但需采用适当系数进行换算。对有层理、片理构造的天然石材，在测抗压强度时，其受力方向，应与石材在砌体中的实际受力方向相同。在水利水电工程中所用石材强度等级一般均应大于30MPa。
天然砌筑石材
选用原则
选用石材，一般主要考虑使用性和经济性两个原则，有些还需考虑美观、环保等性能。
（1）使用性。石材选用的关键是看其使用的环境条件、使用的部位、受力程度、设计年限等。在处于高温、高湿、严寒、浸水及有腐蚀介质等环境中的石材，应考虑其耐热性、耐水性、抗冻性、耐化学侵蚀性等性能；用作地面、踏步、台阶等的石材，要考虑其耐磨、坚韧性等性能；用作承重构件的石材要考虑其抗压、抗剪强度等性能；用作装饰的石材，应考虑其外观、花纹及色彩，可雕琢、可打磨性等性能。
（2）经济可行性。工程所用的石材，依据其使用性来确定其可行性。石材若密度大、强度高，不便于开采和加工利用。应尽可能就地取材，减少运输、加工的程序，合理利用石材资源。
常用石材
（1）毛石。毛石是由爆破直接得到的、形状不规则的块状石或片状石，又称片石或块石。依其表面的平整程度分为乱毛石和平毛石两种。毛石在工程中用途广泛，常用于砌筑基础、墙身、勒脚、挡土墙、堤坝等。
1）乱毛石：各个面的形状均不规则的毛石称为乱毛石。一般在同一个方向上的尺寸为300～400mm，强度不低于10MPa，质量为20～30kg，软化系数不应低于0.75。
2）平毛石：将乱毛石稍做加工后，形状较整齐规则，但表面略粗糙的毛石称为平毛石。其中部厚度不应低于200mm。
（2）料石。料石指由机械或人工开采的、并略加凿琢而成的，具有较规则平整的加工面。按石材表面加工的平整程度分为4种。
1）毛料石：毛料石为大致方正的块石，并具有两个大致平行的面，一般不做加工或加工较少。其厚度与高度不小于20cm的块料，抗压强度不低于30MPa。多用于砌筑一般建筑物的主要部位。
2）粗料石：粗料石规格尺寸同细料石，但表面凹凸深度不大于2cm。用于拱、墩墙等部位。
3）半细料石：规格尺寸同粗料石，但叠切面凹凸深度不大于1.5cm。
4）细料石：表面经过细加工，外形规则，表面凹凸深度不大于0.20cm，截面的宽度、高度不少于20cm，且不小于长度的1/3，多用于涵闸的门槽部位。
（3）石板。指对采石场所开采的石材经人工开凿或锯成的板材，长度和宽度一般为30～120cm，厚度为3～12cm。
1）粗面板材：粗面板材是断开表面规则，但较粗糙的板材。
2）细面板材：细面板材为表面平整、光滑的板材。
3）镜面板材：镜面板材指表面平整、光滑，具有镜面光泽的板材，如大理石。
（4）道砟材料。主要指碎石、砾石及砂。
1）碎石道砟：开采或加工坚韧的岩浆岩或沉积岩时的小粒径石材及大粒径石材经过破碎而得到的石材称为碎石道砟。按其粒径可分为标准道砟（20～70mm）和中道砟（15～40mm）。前者一般应用于新建、大修与维修铁道线路上，后者主要应用于垫砂铺道。
2）砾石道砟：分天然级配砾石道砟和筛选砾石道砟两种。天然级配砾石道砟是砾石和砂子的混合物，但含有一定的比例，3～60mm粒径的砾石占总混合量的50%～80%，砂子（粒径小于3mm）约占总混合量的20%～50%。筛选砾石道砟是由天然级配砾石（粒径为5～40mm）与规定数量的碎石材（粒径为5～40mm）组成的。
3）砂子道砟：基本组成为坚韧的石英砂，大于0.5mm的颗粒应超过总质量的50%，尘末和黏土的含量必须在规定的范围之内。